Um projeto em andamento no Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) tem como objetivo produzir próteses ortopédicas com as ligas nióbio-titânio e titânio-nióbio-zircônio por fusão seletiva a laser. As primeiras peças já estão sendo fabricadas por impressão em 3D usando esses materiais na forma de pó, informou a assessoria de imprensa da instituição.

A iniciativa conta com financiamento da FAPESP por meio do Programa de Apoio à Pesquisa em Parceria para Inovação Tecnológica (PITE). Além disso, integram o grupo de pesquisa quatro bolsistas apoiados pela Fundação: Jhoan Sebastian Guzmán Hernández, Railson Bolsoni Falcão, Edwin Sallica Leva e Emerson Titonello (leia mais em http://agencia.fapesp.br/23724/).

A primeira fase do trabalho, iniciado em 2017, consistiu na produção dos pós de acordo com uma série de exigências necessárias para trabalhar com o sistema de deposição. A segunda fase, agora em andamento, concentra-se na manufatura aditiva, ou seja, na fabricação e na caracterização de próteses de quadril (placas angulares de fêmur).

Além da FAPESP, apoiam o projeto a Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM), a Empresa Brasileira de Pesquisa e Inovação Industrial (Embrapii), a Associação de Assistência à Criança Deficiente (AACD), o Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli-USP) e, no IPT, o Laboratório de Processos Metalúrgicos.

Segundo Hernández, em sua área de atuação, um dos grandes desafios é obter peças de alta densidade que permitam incrementar a qualidade final das próteses.

?Estou trabalhando com a liga de nióbio-titânio por conta de sua estrutura cristalina, buscando otimizar os parâmetros e caracterizar as propriedades mecânicas das amostras fabricadas. Paralelamente, outro grupo trabalha com a textura do material, que pode ser controlada na impressão 3D com base em parâmetros como potência, velocidade e geometria das poças de fusão?, explicou Hernández.

As poças são microestruturas típicas apresentadas nos materiais fabricados por fusão seletiva a laser. "Dependendo da morfologia, é possível controlar a orientação cristalina dos grãos, ou seja, a textura, Se os grãos crescem em uma direção ou em outra, apresentam diferentes propriedades mecânicas", acrescentou o engenheiro.

A exploração da rota de impressão tridimensional exige o conhecimento das relações entre os parâmetros de processo e a qualidade da prótese quanto à resistência mecânica, à resistência à corrosão e ao acabamento superficial. A produção de peças em máquinas de impressão pode ser realizada seguindo diversos parâmetros, o que traz mudanças significativas nos resultados finais.

O resultado buscado pelo projeto do IPT é a obtenção de peças não apenas de alta densidade relativa, mas principalmente com baixo módulo de elasticidade (rigidez do material).

As ligas comumente usadas em próteses têm um alto módulo de elasticidade e estudos recentes apontam que o nióbio, quando adicionado ao titânio, pode reduzir esse valor.

Para o paciente, a importância do baixo módulo de elasticidade está no fato de o padrão normal de solicitação mecânica de um osso ser alterado de modo crítico quando um implante metálico é empregado em cirurgias ortopédicas. O osso e o implante passam a compartilhar o carregamento aplicado e, de acordo com a capacidade de adaptação do osso hospedeiro, pode ocorrer uma redistribuição da massa óssea com desmineralização em regiões próximas ao implante.

?É preciso que o módulo de elasticidade da prótese seja o mais similar possível ao do osso para que não aconteça o chamado stress shielding, ou seja, a descalcificação do tecido ósseo?, disse Hernández. ?A intenção é que a carga do corpo fique distribuída tanto no osso quanto na liga.?

Novos materiais

A liga nióbio-titânio faz parte da lista de novos materiais que está sendo proposta atualmente para a construção de próteses. Atualmente, seu uso é praticamente restrito à fabricação de supercondutores. ?Além de apresentar baixo módulo de elasticidade potencialmente, esta liga tem a vantagem de ser um material inerte, ou seja, não reage com o corpo humano?, contou Daniel Leal Bayerlein, pesquisador do Laboratório de Processos Metalúrgicos e coordenador do projeto.

A liga mais encontrada hoje no mercado para uso em próteses é composta de titânio-alumínio-vanádio. A dois desses elementos (alumínio e vanádio) diversas pesquisas atribuem problemas de saúde, como doenças respiratórias, câncer e Alzheimer.

Impressão 3D

Os pós das ligas usadas na impressão das peças estão sendo fabricados no IPT por um processo conhecido como hidretação-moagem-dehidretação (HDH). Com uma estratégia de benchmarking, esses mesmos pós foram produzidos, por encomenda, em uma empresa no Canadá especializada em materiais para manufatura aditiva.

As peças do chamado primeiro lote ? que podem ser consideradas como peças-piloto ? foram construídas por impressão 3D com duas amostras diferentes de pós: uma primeira quantidade de três quilos foi obtida por HDH no próprio laboratório do IPT, e a segunda, a partir do pó importado do Canadá.

Após a fabricação das primeiras peças, o próximo passo é a avaliação dos corpos de prova para escolha daqueles que apresentaram melhor desempenho e, a seguir, a confecção de uma série deles para serem submetidos a ensaios mecânicos.

?Em manufatura aditiva com novos materiais é preciso trabalhar com diferentes variáveis para atingir os parâmetros de alta densidade. Não existe uma receita pronta?, ressaltou Hernández.

Uma apresentação dos primeiros resultados do projeto foi feita em outubro de 2018 no congresso Materials Science & Technology (MS&T), realizado na cidade de Columbus, nos Estados Unidos. A caracterização metalográfica e algumas caracterizações mecânicas das peças fabricadas no primeiro lote foram mostradas por Hernández.

?Professores e pesquisadores comentaram que estão buscando alternativas para a liga titânio-alumínio-vanádio por causa das implicações no corpo humano. Fomos os únicos no congresso a apresentar um estudo sobre a liga nióbio-titânio?, disse o pesquisador.

O projeto do IPT está previsto para terminar no primeiro semestre de 2020. 

Fonte: Agência Fapesp